[0001] Die Erfindung betrifft eine Temperieranordnung zur Erzeugung eines gleichförmigen
Temperaturverlaufs auf einer Oberfläche nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein
ebensolches Temperierverfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
[0002] In vielen Technologiegebieten besteht das Bedürfnis nach Erzeugung einer Oberfläche
mit einer möglichst homogenen, thermisch strukturfreien Temperaturverteilung. Beispiele
hierfür sind thermische Verfahren, bei denen Werkstoffe möglichst spannungsfrei und
ohne auftretende innere thermische Differenzen wärmebehandelt oder gekühlt werden
müssen. Andere Anwendungsgebiete stellen Meßanwendungen dar, bei denen ein thermisch
gleichförmiger Hintergrund bzw. eine ebensolche Umgebung bereitgestellt werden sollen,
wie z.B. in Kammern zur Simulation von Weltraumbedingungen.
[0003] Für die Anwendung als Thermalwand in Raumfahrtsimulatoren ist insbesondere der Temperaturbereich
zwischen -200°C und +150°C interessant. Abweichungen der lokalen Oberflächentemperatur
von der mittleren Oberflächentemperatur sollen dabei im stationären Zustand kleiner
als +/-2°C (vorteilhaft +/-1°C) sein.
[0004] Dementsprechend sind die zu erzeugenden Temperaturen bzw. Temperaturdifferenzen zur
Umgebung je nach Anwendungszweck unterschiedlich. In Abhängigkeit von der Aufgabenstellung
kann es hierbei zur Erzeugung des thermischen Soll-Hintergrundes erforderlich sein,
die betreffende Oberfläche zu kühlen oder zu heizen, in einigen Fällen sind beide
Vorgänge auch zu kombinieren. Die Erzeugung eines möglichst homogenen Bereichs mit
einer vorgegebenen Temperatur wird daher im folgenden als Temperierung bezeichnet,
wobei dieser Begriff als zielgerichteter Wärmetransport sowohl Temperaturveränderung
als auch gesteuerte oder geregelte Aufrechterhaltung einer Solltemperatur beinhaltet.
[0005] Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von Ansätzen bekannt, die ein hohes Ausmaß
an Wärmetransport mit einer möglichst gleichförmigen Temperierwirkung verbinden sollen.
Hierbei verwenden bestehende Lösungen typischerweise mediendurchflossene Kühlkanäle,
die wärmeleitend mit dem zu temperierenden Körper verbunden sind.
[0006] So ist aus der
DD 241 864 eine Halbkugelschale mit Kühlanordnung bekannt, bei der Kühlkanäle in Form einer
spiralförmigen Kühlschlange auf dem Körper angeordnet sind. Das Kühlmedium tritt an
einer Seite des Körpers in den Kanal ein, durchläuft die Schlange und tritt am entgegengesetzten
Ende aus. Dabei nimmt das Kühlmedium die abzuführende Wärmemenge auf. Die Temperaturspreizung
über den Körper ist somit mindestens so groß wie die Temperaturdifferenz des Kühlmediums
zwischen Einlaß und Auslaß. Ein weiteres Beispiel für eine flächige Kühlung mit Gegenstromprinzip,
bei dem eine Verbesserung erzielt wird, ist ebenfalls in der
DD 241 864 beschrieben. Hierzu wird auf einem flächigen Körper ein mäanderförmiger Kühlkanal
aufgebracht. Dieser deckt die Fläche gut ab und hat Bereiche mit Gegenströmungen,
die eine Homogenisierung begünstigen. Wie auch bereits hinsichtlich der Halbkugelschalenanordnung
gilt hier, daß die Temperaturspreizung mindestens die Differenz zwischen Medientemperatur
an Einlaß und Auslaß beträgt. Diese Differenz hängt von der aufgenommenen Wärmeleistung
und den Eigenschaften des Kühlmedienflusses ab.
[0007] Im Gleichgewichtszustand gilt allgemein:

wobei p die Flächenleistungsdichte, dF ein Flächenelement, C die Wärmekapazität des
Mediums, I den Mediendurchfluß und ΔT die Temperaturdifferenz zwischen Einlaß und
Auslaß bezeichnen. In diesem Ansatz wird die gesamte eingetragene Leistung über das
Kühlmedium abgeführt, wobei die Kühlleistung des Mediums durch Durchfluß, Kapazität
und Temperaturspreizung gegeben ist.
[0008] Für alle Lösungen mit Kühlkanälen gilt, daß die lokale Temperatur des Kühlkanals
das lokale Temperaturfeld der zu temperierenden Oberfläche dominiert. Hierbei ist
es offensichtlich, daß eine Differenz des Kühlkanals entlang der Strömung zu einer
Temperaturdifferenz in der Oberfläche führt.
[0009] Bisherige Lösungen verfolgen zwei Ansätze die Differenz zu reduzieren.
a) Durch Verwendung geeigneter Kühlmedien mit großer Wärmekapazität C und durch Erhöhung
des Durchflusses I wird die Temperaturdifferenz zwischen Einlaß und Auslaß bei gegebenem
Gesamtleistungseintrag reduziert.
b) Auf der zu temperierenden Oberfläche werden Heizelemente aufgebracht und durch
kontrolliertes, lokales Gegenheizen die Temperaturdifferenz reduziert. Dieses Verfahren
ist nur geeignet um lokal unterschiedlichen Leistungseintrag auszugleichen und diese
zusätzliche Inhomogenität zu reduzieren. An der Spreizung durch die Temperaturdifferenz
zwischen Einlaß und Auslaß des Kühlmediums ändert dies jedoch nichts. Somit bleiben
im Stand der Technik die durch die Kühl- oder Heizstromführung resultierenden Temperaturunterschiede
eine Quelle thermischer Signaturen und Inhomogenitäten in der zu temperierenden Oberfläche.
[0010] Gewünscht ist jedoch eine Oberfläche eines Körpers, z.B. eine Thermalwand in einer
Testanlage für Raumfahrtausrüstung, die durch Kühlung oder Heizung eine möglichst
homogene Temperaturverteilung aufweisen soll. Diese homogene Temperaturverteilung
soll dabei auch dann gewährleistet sein, wenn ein Leistungseintrag, sei er intern
oder extern bedingt, in den Körper vorliegt.
[0011] Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit in der Bereitstellung einer
verbesserten Temperieranordnung bzw. eines ebensolchen Verfahrens.
[0012] Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung einer solchen Temperieranordnung
bzw. eines Temperierverfahrens mit minimalen thermischen Inhomogenitäten auf der zu
temperierenden Oberfläche, insbesondere mit minimalen Temperaturspreizungen in und/oder
senkrecht zur Wärmetransportrichtung.
[0013] Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände des Anspruchs 1 bzw. 12 oder der abhängigen
Ansprüche gelöst bzw. die Lösungen weitergebildet.
[0014] Die Erfindung betrifft eine Temperieranordnung zur Erzeugung eines gleichförmigen
Temperaturverlaufs auf einer Oberfläche und ein ebensolches Temperierverfahren, wobei
sich die Erfindung in mehrere Teilaufgaben bzw. Teillösungen unterteilt
- 1. Homogenität entlang des Kühlkanals,
- 2. Homogenität quer zum Kühlkanal und
- 3. Toleranz gegenüber (wechselnden) Temperaturdifferenzen zwischen Einlaß und Auslaß
des Kühlmediums, d.h. gegenüber sich änderndem Gesamtleistungseintrag in den zu temperierenden
Körper.
[0015] Die nachfolgenden Lösungen beziehen sich dabei nicht ausschließlich auf mediendurchflossene
Kühlkanäle. Diese werden nur als Beispiel zur Verdeutlichung angeführt und spielen
in der Zielanwendung "Testanlage" eine besondere Rolle. Statt der Kühlkanäle können
verallgemeinert zumindest in einer (Vorzugs-)Richtung ausgedehnten Temperierelementen
erfindungsgemäss verwendet werden. Dabei ist es gleichgültig, ob die Temperierung
durch ein Kühlmedium, durch elektrischen Strom, eine Phasenumwandlung, eine chemische
Reaktion oder durch einen sonstigen geeigneten Prozeß zustande kommt, solange nur
ein erfindungsgemäss nutzbarer Wärmetransportmechanismus | bewirkt wird. Für die Aufgabenstellung
und die erfindungsgemässe Lösung ist relevant, daß entlang der Vorzugsrichtung ein
Temperaturgradient auftritt. Dies ist bei Verwendung von Wärmetransportmedien typischerweise
der Fall.
[0016] Eine homogene Temperatur entlang einer Vorzugsrichtung in der Temperieranordnung
kann dadurch erzielt werden, daß zwei Temperierelemente so angeordnet werden, daß
der Temperaturgradient antiparallel verläuft. Die Vorzugsrichtung wird hierbei in
den meisten Fällen mit der Wärmetransportrichtung zusammenfallen, wobei der Wärmestrom
und damit der Transport zur Homogenisierung entgegengesetzt erfolgt. Beide Temperierelemente
als Wärmetransportkomponenten sind entlang der Vorzugsrichtung durch eine Wärmebrücke
verbunden, so dass im Betriebszustand zwischen den Temperierelementen an Punkten entlang
der Vorzugsrichtung, insbesondere aber kontinuierlich, ein Temperaturgradient und
damit ein Wärmetransport zwischen den Temperierelementen auftritt. Als eine solche
Wärmebrücke soll in diesem Zusammenhang jede Verbindung zwischen den Temperierelementen
als Transportkomponenten verstanden werden, die nicht deren integraler bzw. funktionaler
Bestandteil ist. Naturgemäss kann eine Wärmebrücke aber strukturell mit den Temperierelementen
und deren Bestandteilen verbunden sein, insbesondere einstückig mit diesen ausgeführt
sein.
[0017] Entlang der Ausdehnung der Temperierelemente stellt sich dann in der Wärmebrücke
eine Isotherme als Linie konstanter Temperatur ein. Diese wird in ihrer Lage und ihrer
Form abhängig von der Temperaturdifferenz wie auch der strukturellen und geometrischen
Ausgestaltung der Temperierelemente sein. Bei symmetrischer Anordnung identischer
Temperierelemente und identischen Temperaturdifferenzen liegt die Isotherme in der
Mitte der Wärmebrücke und erstreckt sich entlang der Temperierelemente über die gesamte
Anordnung. Die Isotherme stellt die Linie der wärmeleitenden Anbindung an den zu temperierende
Körper bzw. dessen zu temperierende Oberfläche dar.
[0018] Die Nutzung der Erfindung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn innerhalb der wenigstens
zwei Temperierelemente eine große Temperaturdifferenz nicht zu vermeiden ist. Dies
ist insbesondere der Fall, wenn Gase als Kühlmedium eingesetzt werden. Ebenfalls vorteilhaft
ist der Einsatz, wenn die Solltemperatur der zu temperierenden Oberfläche stark von
der Temperatur des Kühlmediums abweicht. Dies ist der Fall, wenn ein Kühlmedium mit
Phasenübergang eingesetzt wird (z.B. Flüssigstickstoff), die Solltemperatur aber von
der Phasenübergangstemperatur abweicht. Bevorzugte Werkstoffe zur Ausführung von zu
temperierendem Körper wie auch der Temperierelemente sind insbesondere Aluminium (insbesondere
Aluminium Strangpreßprofile), Kupfer, Edelstahl, Graphit und Verbundwerkstoffe z.B.
auf Basis von Kohlefaser.
[0019] Eine Homogenisierung quer zum Kühlkanal bzw. zur Vorzugsrichtung kann durch die Verwendung
einer weiteren Wärmebrücke erreicht werden, welche einen ausgleichenden und damit
homogenisierenden Effekt bewirkt. Diese zweite Wärmebrücke wird mit der ersten Wärmebrücke
entlang der sich dort im Betriebszustand ausbildenden Isothermen verbunden und somit
auf konstantem Temperaturniveau kontaktiert. Durch eine geometrische oder materialseitige
Gestaltung der zweiten Wärmebrücke kann der Wärmetransport homogenisiert werden, so
dass ein strukturfreies und gleichmässiges Temperaturprofil auf der Oberfläche entsteht.
[0020] Beide Homogenisierungen, wie auch die Toleranz gegenüber wechselnden Temperaturdifferenzen
sowie konkrete Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Temperieranordnung, werden
nachfolgend anhand von in der Zeichnung schematisch oder figürlich dargestellten Beispielen
näher beschrieben oder erläutert. Im einzelnen zeigen
- Fig.1
- die schematische Darstellung der Dominierung einer Zone einer zu kühlenden Oberfläche
durch die lokale Temperatur;
- Fig.2
- die schematische Darstellung der erfindungsgemässen Verwirklichung einer homogenen
Temperatur entlang der Temperierelemente bei überlappenden Temperaturbereichen;
- Fig.3
- die schematische Darstellung der erfindungsgemässen Verwirklichung einer homogenen
Temperatur entlang der Temperierelemente bei nicht überlappenden Temperaturbereichen;
- Fig.4
- die schematische Darstellung der erfindungsgemässen Verwirklichung einer homogenen
Temperatur entlang der Temperierelemente bei identischen Temperaturdifferenzen in
beiden Richtungen;
- Fig.5
- die schematische Darstellung der erfindungsgemässen Verwirklichung einer homogenen
Temperatur entlang der Temperierelemente bei identischen Temperaturdifferenzen in
beiden Richtungen und einer Kühlmittel-Rückführung;
- Fig.6
- die schematische Darstellung der erfindungsgemässen Verwirklichung der Homogenisierung
der Temperatur senkrecht zur Isothermen;
- Fig.7
- die schematische Darstellung der erfindungsgemässen Verwirklichung der Homogenisierung
der Temperatur senkrecht zur Isothermen bei anisotroper Wärmeleitung;
- Fig.8
- die figürliche Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemässen
Temperieranordnung;
- Fig.9
- die figürliche Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemässen
Temperieranordnung;
- Fig.10
- die figürliche Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemässen
Temperieranordnung;
- Fig.11
- die figürliche Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemässen
Temperieranordnung und
- Fig.12
- die figürliche Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemässen
Temperieranordnung.
[0021] Fig.1 zeigt die schematische Darstellung der Dominierung einer Zone einer zu kühlenden
Oberfläche durch die lokale Temperatur. Bei einem in diesem Beispiel mäanderförmig
geführten Kühlkanal weisen dessen einzelne Punkt jeweils eine individuelle Temperatur
auf, die hier durch die beiden Punkte mit der den Temperaturen T1 und T2 veranschaulicht
werden. Für jeden der beiden Punkte existiert dann eine Zone bzw. lokales Temperaturfeld,
innerhalb derer die Temperatur ungefähr der lokalen Temperatur des Kühlkanals entspricht.
Durch die Abfolge der unterschiedlichen Temperaturen entlang des Temperaturgradienten
im Kühlkanal entsteht somit eine Folge oder Spur von Temperaturpunkten mit einer von
der Ein- und Austrittstemperatur im Kühlkanal abhängigen thermalen Spreizung. Für
alle Lösungen mit solchen Kühlkanälen gilt, daß die lokale Temperatur des Kühlkanals
das lokale Temperaturfeld der zu temperierenden Oberfläche dominiert, wobei sich die
lokalen Temperaturfelder wiederum voneinander unterscheiden und die Differenz des
Kühlkanals entlang der Strömung zu einer Temperaturdifferenz in der Oberfläche führt.
Bisherige Lösungen des Stands der Technik versuchen diese Temperaturdifferenz zu verringern,
indem die thermische Differenz im Kühlkanal verringert und/oder der Durchsatz bzw.
die Wärmekapazität des Kühlmittels erhöht werden. Beide Ansätze sind in ihrer Realisierung
jedoch begrenzt und lösen das Problem einer thermischen Spreizung nicht grundsätzlich.
[0022] Die erfindungsgemässe Verwirklichung einer homogenen Temperatur entlang der Temperierelemente
bei überlappenden Temperaturbereichen zeigt Fig.2 in schematischer Darstellung. In
einer Temperieranordnung zur Erzeugung eines gleichmäßigen Temperaturverlaufs auf
einer Oberfläche sind ein erstes Temperierelement 1 und ein zweites Temperierelement
2 entlang einer Vorzugsrichtung ausgedehnt und angeordnet. Diese Temperierelemente
1 und 2 können insbesondere als Kanäle zur Führung von Kühl- oder Heizmedien ausgebildet
sein, wobei die Vorzugsrichtung bzw. Vorzugsachse mit der Richtung des Wärmetransportes
übereinstimmt und diese naturgemäss auch gekrümmt oder in anderer Form ausgestaltet
sein können.
[0023] Zur Wärmeleitung von oder zu einem die Oberfläche aufweisenden und zu temperierenden
Körper sind die Temperierelemente entlang der Vorzugsrichtung mit einer ersten Wärmebrücke
3 verbunden. Entlang der Vorzugsrichtung ist ein Temperaturgradient gegeben, der in
der ersten Wärmebrücke 3 zu einer Ausbildung eines Temperaturverlaufes mit einer Vielzahl
von Isothermen als Linien gleicher Temperatur führt. Erfindungsgemäss sind die Temperierelemente
1 und 2 so angeordnet und durch die erste Wärmebrücke 3 verbunden sind, dass sich
im Betriebszustand zumindest eine Kontakt-Isotherme 4 ausbildet, welche entlang der
ersten Wärmebrücke 3 verläuft und entlang derer der zu temperierende Körper mit der
ersten Wärmebrücke verbunden ist. Diese Verbindung kann dabei an einzelnen wärmleitenden
Punkten gegeben sein, vorzugsweise erfolgt die Verbindung jedoch kontinuierlich entlang
der Kontakt-Isothermen 4, so dass eine mit der ersten Wärmebrücke 3 verbundene Struktur
diese überall an Punkten gleicher Temperatur kontaktiert. Aufgrund der erfindungsgemässen
Ausgestaltung der Anordnung wird im Betriebszustand in den Temperierelementen 1 und
2 ein Wärmestrom so erzeugt, dass sich entlang der Verbindungslinie die gewünschte
Kontakt-Isotherme 4 ausbildet. Die genaue Lage der zur Kontaktierung genutzten Kontakt-Isothermen
4 ist von einer Vielzahl von Parametern abhängig, wie z.B. den Materialeigenschaften
und den Temperaturgradienten in den Temperierelementen 1 und 2.
[0024] Die hier in Fig.2 exemplarisch gezeigte Möglichkeit des Betriebs besteht darin, dass
die Temperierelemente 1 und 2 so angeordnet sind, dass die in den Temperierelementen
im Betriebszustand entstehenden Temperaturgradienten antiparallel verlaufen, wobei
die Temperierelemente 1 und 2 zum Wärmetransport nach einer Vielzahl von möglichen
| Prinzipien des Wärmetransportes bzw. der Wärmezu- oder - abfuhr ausgebildet sein
können, z.B. durch Transport eines Kühl- oder Heizmediums, insbesondere eines fliessfähiges
Mediums, Transport durch elektrischen Strom, kontinuierlich oder diskontinuierliche
erfolgende Phasenumwandlungen oder endo- oder exotherme chemische Reaktionen.
[0025] Obwohl der zu temperierende Körper mit den Temperierelementen 1 und 2 an einer Vielzahl
von Punkten verbunden sein kann, z.B. aus Gründen der mechanischen Stabilität, so
besitzt eine ausschliesslich entlang der Kontakt-Isotherme 4 der Wärmebrücke 3 erfolgenden
Verbindung den Vorteil einer ausschliesslichen Kontaktierung an Punkten gleicher Temperatur.
[0026] In der Fig.2 ist die Temperaturverteilung rein exemplarisch wie folgt gegeben T2>T1;
T4>T3; T2-T1>T4-T3 und T2=T4. In diesem dargestellten Fall mit gegenläufigen Temperaturgradienten
findet sich die Kontakt-Isotherme 4 (dick gestrichelt) auf der Wärmebrücke 3, die
auch geometrisch innerhalb dieser Wärmebrücke 3 verläuft und diese in einen am ersten
Temperierelement 1 und einen näher am zweiten Temperierelement 2 gelegenen Bereich
aufteilt. Die genaue Lage dieser Kontakt-Isotherme 4 hängt dabei bei fester Geometrie
und Materialeigenschaften, d.h. bspw. der Wärmeübergänge und der Leitfähigkeit, nur
vom Quotienten der Temperaturdifferenz ab. Eine erfindungsgemässe Temperieranordnung
wird daher innerhalb eines vorgegebenen Parametersatzes bzw. -bereichs betrieben.
[0027] Der Fall, dass sich der Temperaturbereich entlang der Temperierelemente 1 und 2 nicht
überlappt wird in Fig.3 schematisch dargestellt. In diesem Beispiel gelten die folgenden
Bedingungen: T2>T1, T4>T3, T3>T2, jedoch mit Q=(T2-T1) /T4-T3), so dass die Kontakt-Isotherme
4 die gleiche Lage wie in Fig.2 besitzt.
[0028] Unter Annahme einer symmetrischen Ankopplung, d.h. die Wärmeübergänge des ersten
Temperierelementes 1 zur Wärmebrücke 3 sind gleich den Wärmeübergängen des zweiten
Temperierelementes 2 zur Wärmebrücke 3, ergibt sich ein besonders günstiger Fall bei
Q=1. Dabei liegt die Kontakt-Isotherme 4 auf der Symmetrieachse(-fläche), wie dies
in Fig.4 für eine homogene Temperaturverteilung entlang der Temperierelemente bei
identischen Temperaturdifferenzen in beiden Richtungen dargestellt ist.
[0029] Besonders vorteilhaft kann die Temperieranordnung ausgeführt werden, wenn T2=T3 gehalten
wird. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem bei mediengekühlter Ausführung
der Temperierelemente 1 und 2 das gleiche Kühlmittel durch beide Kanäle geführt wird,
was in Fig.5 schematisch dargestellt wird. Durch eine solche Kühlmittel-Rückführung
kann eine erfindungsgemässe Verwirklichung einer homogenen Temperatur entlang der
Temperierelemente 1 und 2 bei identischen Temperaturdifferenzen in beiden Richtungen
gewährleistet. Die Temperierelemente 1 und 2 sind somit miteinander verbunden und
weisen einen gemeinsamen, aufeinanderfolgend durch beide Temperierelemente geführten
Wärmestrom auf.
[0030] Unabhängig davon können aber auch beide Temperierelemente 1 und 2 eine separate Versorgung
mit Kühlmittel besitzen, wobei diese so gesteuert oder geregelt werden, dass der über
ihre Länge auftretende Temperaturgradient den gleichen Betrag aufweist. Der zu temperierende
Körper wird auch hier entlang der Kontakt-Isothermen 4 wärmeleitend angebunden, wodurch
sichergestellt wird, daß parallel zu den Temperierelementen 1 und 2 ein minimaler
Temperaturgradient eingehalten wird. Senkrecht zur Kontakt-Isothermen 4 können dabei
jedoch immer noch große Temperaturgradienten auftreten, z.B. zwischen den beiden Temperaturen
T1 und T4.
[0031] Werden für dieses Ausführungsbeispiel beide Temperierelemente identisch ausgeführt,
so hängt die Lage der Kontakt-Isotherme 4 nicht mehr von den Temperaturen T1 und T4
ab und wird somit stets symmetrisch in der Mitte der ersten Wärmebrücke 3 liegen,
so dass diese Linie baulich zur Anbindung an den zu temperierenden Körper genutzt
werden kann, ohne dass sich im Betrieb Verschiebungen der Kontakt-Isotherme 4 oder
die Notwendigkeit von Regelungen oder Steuerungen ergeben.
[0032] Fig.6 zeigt die schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Temperieranordnung
im Querschnitt zur Erläuterung der erfindungsgemässen Verwirklichung der Homogenisierung
der Temperatur senkrecht zur Isothermen durch Anbindung mittels einer zweiten Wärmebrücke
6'. Hierbei wird der zu temperierende Körper 5 und damit seine zu temperierende Oberfläche
5a mit der ersten Wärmebrücke 3' über eine zweite Wärmebrücke 6' wärmeleitend verbunden.
Vorteilhafterweise sind hierbei die erste Wärmebrücke 3' und zweite Wärmebrücke 6'
streifenförmig ausgebildet und die zweite Wärmebrücke 6' wird entlang ihrer Längsachse
mit der ersten Wärmebrücke 3' verbunden, insbesondere entlang der Symmetrieachse der
ersten Wärmebrücke 3' entlang derer sich bei identischen Temperaturgradienten in dem
ersten Temperierelement 1' und dem zweiten Temperierelement 2' die Kontakt-Isotherme
4 ausbildet.
[0033] Bevorzugt werden die geometrischen Dimensionen hierbei so gewählt, dass der Quotient
aus der Breite 7 der zweiten Wärmebrücke 6' und der Breite der ersten Wärmebrücke
3', gemessen in der Verbindungsachse zwischen erster Wärmebrücke 3' und zu temperierendem
Körper 5, im wesentlichen dem Quotienten aus Temperaturdifferenz in der zweiten Wärmebrücke
6' zur lokalen Temperaturdifferenz zwischen den Temperierelementen 1' und 2' entspricht.
[0034] Die Breite dieser zweiten Wärmebrücke 6' hat einen Einfluß auf die Temperaturspreizung
an der Oberfläche 5a des Körpers 5. Die Temperaturdifferenz quer zur zweiten Wärmebrücke
6' ist über die Breite 7 der zweiten Wärmebrücke Brücke in der Verbindungsachse zwischen
erster Wärmebrücke 3' und zu temperierendem Körper 5 definiert. Da der Temperaturgradient
innerhalb der zweiten Wärmebrücke 6' in erster Näherung linear verläuft, ergibt der
Quotient Q1 der Breite von zweiter Wärmebrücke 6' zur Breite der ersten Wärmebrücke
3' in etwa den Quotienten der Temperaturdifferenz in der zweiten Wärmebrücke 6' zur
Gesamtdifferenz von erstem Temperierelement 1' und zweitem Temperierelement 2'.
[0035] Auch die Ausdehnung der zweiten Wärmebrücke 6' Richtung der in der Verbindungsachse
zwischen erster Wärmebrücke 3' und zu temperierendem Körper 5 hat einen Einfluß auf
die Temperaturdifferenz, die an der Oberfläche 5a des Körpers 5 wirksam wird. Dies
ist das Ergebnis des Ausgleichs der Temperaturdifferenz mit steigendem Abstand zur
Quelle. Es läßt sich allgemein formulieren, daß der Quotient Q2 aus der Wärmeleitfähigkeit
(= spez. Wärmeleitfähigkeit * Querschnitt / Strecke) quer zur Verbindungsachse zwischen
erster Wärmebrücke 3' und zu temperierendem Körper 5 und der Wärmeleitfähigkeit in
dieser Verbindungsachse den Grad der Homogenisierung definiert.
[0036] Eine weitere erfindungsgemässe Verwirklichung der Homogenisierung der Temperatur
senkrecht zur Kontakt-Isothermen 4 bei anisotroper Wärmeleitung wird in Fig.7 die
schematische dargestellt. Auch hierbei sind ein erstes Temperierelement 1'' und ein
zweites Temperierelement 2'' durch eine erste Wärmebrücke 3'' untereinander verbunden
und mittels einer zweiten Wärmebrücke an den Körper 5 mit seiner zu temperierenden
Oberfläche 5a angebunden. Erfindungsgemäss kann die Wärmeleitfähigkeit der zweiten
Wärmebrücke in der Verbindungsachse zwischen erster Wärmebrücke 3'' und zu temperierendem
Körper 5 gegenüber der Wärmeleitfähigkeit in orthogonaler Richtung reduziert werden,
insbesondere durch anisotrop wärmeleitende Werkstoffe und/oder - wie in diesem Beispiel
- durch geometrische Ausgestaltung der zweiten Wärmebrücke. Diese wird in zwei Sektionen
6a'' und 6b'' mit in der Verbindungsachse zur ersten Wärmebrücke 3'' unterschiedlichen
Querschnitten unterteilt. Hierbei ist der Querschnitt der die erste Wärmebrücke 3"
unmittelbar kontaktierenden ersten Sektion 6a'' kleiner als der Querschnitt der in
Folge angeordneten und den Körper 5 kontaktierenden zweiten Sektion 6b''. Diese Ausgestaltung
verringert die totale Wärmeleitfähigkeit in Richtung der Verbindungsachse zwischen
erster Wärmebrücke 3'' und zu temperierendem Körper 5 und erlaubt eine Reduktion der
Ausdehnung der ersten Wärmebrücke 3" unter Beibehaltung von Q1. Neben solchen konstruktiv-
geometrischen Maßnahmen kann eine hierfür geeignete anisotrope Wärmeleitfähigkeit
aber auch alternativ oder ergänzend durch entsprechende Materialwahl (z.B. Graphit
oder Kohlefaserverbundwerkstoffe) erreicht werden.
[0037] Fig.8 zeigt die figürliche Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemässen
Temperieranordnung zur Temperierung einer im wesentlichen ebenen Oberfläche 85a, die
beispielsweise als Thermalwand die dem Testgut zugewandte Seite einer Wandung 85 in
einer Weltraumsimulationsanlage darstellen kann. Das erste Temperierelement 81 und
das zweite Temperierelement 82 mit der ersten Wärmebrücke 83 und der zweiten Wärmebrücke
86 können hierbei beispielsweise als Aluminiumstrangpreßprofil ausgeführt sein. Als
Kühlmittel kann beispielsweise flüssiger oder gasförmiger, tiefkalter Stickstoff über
einen Einlass 80a und einen Auslass 80b durch die Temperierelemente 81 und 82 geführt
werden, wobei diese die in Fig.5 schematisch dargestellte Kühlmittelrückführung aufweisen.
Zur Verringerung des Strahlungstransports können Oberflächen, wie z.B. die dem Testgut
abgewandte Seite 85c der Wandung 85 speziell ausgestaltet sein, z.B. durch eine Verspiegelung.
Zudem kann die Wärmeleitung durch weitere Massnahmen, wie z.B. die Wahl eines Füllmediums
mit geringer Wärmeleitung oder Evakuierung weiter herabgesetzt werden.
[0038] Ein zweites Ausführungsbeispiel mit einer weitgehenden Integration der erfindungsgemässen
Temperieranordnung in eine Behälterwandung 95 wird in Fig.9 figürlich dargestellt.
Auch hier sind das erste Temperierelement 91 und das zweite Temperierelement 92 durch
eine erste Wärmebrücke 93 miteinander wärmeleitend verbunden. Im Unterschied zum ersten
Ausführungsbeispiel wird hier jedoch diese erste Wärmebrücke 93 beidseitig weitergeführt,
so dass diese direkt in die Behälterwandung 95 übergeht. Die beiden Temperierelemente
sind somit in symmetrischer Ausgestaltung und Anbindung auf beiden Seiten des zu temperierenden
Körpers angeordnet, so dass dieser mittig und unmittelbar mit der Kontakt-Isotherme
verbunden ist.
[0039] Die Oberfläche 95a der Behälterwandung 95 wird nun in Form eines ausgewölbten Oberflächenabschnitts
95b über die integrierte Temperieranordnung geführt, so dass diese thermisch abgeschirmt
ist und die Temperierung des ausgewölbten Oberflächenabschnitts 95b ausschliesslich
über die Kontaktierung der übrigen Oberfläche 95a erfolgt.
[0040] Auch hier kann über einen Einlass 90a und einen Auslass 90b beispielsweise flüssiger
oder gasförmiger, tiefkalter Stickstoff unter Kühlmittelrückführung durch die Temperierelemente
91 und 92 geführt werden.
[0041] Fig.10 zeigt die figürliche Darstellung einer Rohr- oder Behälterkühlung als drittes
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Temperieranordnung. Hier bilden ein erstes
Temperierelement 101 und ein zweite Temperierelement 102 zusammen mit einer ersten
Wärmebrücke 103 eine bandförmige Temperieranordnung, die helixförmig um die Aussenseite
eines Rohres 105 gewickelt wird und entlang dieser Helix über einen Steg als zweiter
Wärmebrücke 106 mit der Aussenseite des Rohres 105 wärmeleitend verbunden ist. Durch
diese Temperieranordnung kann die Innenfläche 105a des Rohres 105 geheizt, gekühlt
oder auf einer vorgegebenen Solltemperatur gehalten werden.
[0042] Als viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Temperieranordnung erfolgt
in Fig.11 die figürliche Darstellung eines Plattenkühlers. Auch hier bilden ein erstes
Temperierelement 111 und ein zweite Temperierelement 112 zusammen mit einer ersten
Wärmebrücke 113 eine bandförmige Temperieranordnung, die nun aber schlangenförmig
auf der Aussenseite einer Platte 115 mit einer zu temperierenden Innenseite 115a geführt
wird. Die kühlschlangenartige Temperieranordnung ist über einen Steg als zweiter Wärmebrücke
116 mit der Aussenseite der Platte 115 wärmeleitend verbunden, wobei Kühl- oder Heizmedien
über einen Einlass 110a und einen Auslass 110b durch die kühlschlangenartige Temperieranordnung
geführt werden können.
[0043] Das erfindungsgemässe Konzept kann auch durch weitere Temperierelemente bzw. Kühlkanäle
ergänzt werden. So wird in Fig.12 die figürliche Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemässen Temperieranordnung gezeigt, bei der die Anordnung aus erstem
Temperierelement 121 und zweitem Temperierelement 122 sowie erster Wärmebrücke 123
und zweiter Wärmebrücke 126 durch eine drittes Temperierelement 127 ergänzt wird.
Dieses dritte Temperierelement 127 wird parallel entlang der beiden anderen Temperierelemente
121 und 122 auf der dem zu temperierenden Körper 125 abgewandten Seite der Anordnung
geführt. In diesem, hier als oberstes Rohr einer Anordnung aus Kühlrohren dargestellten,
dritten Temperierelement 127 kann ein Medium mit inhomogenem Kühlverhalten geführt
werden, z.B. als Verdampfer für Flüssigstickstoff. Dabei ist die Kühlleistung am Anfang
des Rohres, d.h. am Punkt der Einspeisung von bspw. reinem Flüssigstickstoff, um ein
Vielfaches höher als am Ende des somit als Verdampferrohr wirkenden dritten Temperierelementes
127. Die hierdurch bewirkte inhomogene Leistung fällt entlang der Kühlrohre an und
wirkt auf die beiden anderen Temperierelemente 121 und 122 gleichermaßen. Als Ergebnis
bildet sich auch in diesem Beispiel die erfindungsgemäss genutzte Isotherme aus. Durch
diese Ergänzung der beiden Temperierelemente 121 und 122 um das dritte Temperierelement
127 kann eine hohe Wärmetransportleistung und hierdurch eine erfindungsgemäss Temperierwirkung
auch bei höheren Wärmeaufnahmen des Körpers 125 gewährleistet werden. Dabei ist es
nicht erforderlich, dass sich das dritte Temperierelement 127 über die gesamte Länge
der Anordnung erstreckt. Vielmehr ist es möglich, durch gezielte, ggf. mehrfache Einspeisung
an in thermischer Hinsicht kritischen Orten einen örtlich gesteigerten und somit hinsichtlich
des Temperierverhaltens auch unter wechselnden Umwelt- oder Testbedingungen optimierten
Wärmetransport zu realisieren.
1. Temperieranordnung zur Erzeugung eines gleichmäßigen Temperaturverlaufs auf einer
Oberfläche (5a,85a,95a,105a,115a) mit
- wenigstens zwei entlang einer Vorzugsrichtung ausgedehnten Temperierelementen (1,
1', 1'', 2, 2', 2'', 81, 91, 101, 111, 82, 92, 102, 112, 121, 122, 127) insbesondere
Kanälen zur Führung von Kühl- oder Heizmedien,
- einer die Temperierelemente (1, 1' ,1'', 2, 2', 2'', 81, 91, 101, 111, 82, 92, 102,
112, 121, 122, 127) entlang der Vorzugsrichtung verbindende erste Wärmebrücke (3,
3', 3'', 83, 93, 103, 113, 123),
- einem die Oberfläche (5a,85a,95a,105a,115a) aufweisenden und zu temperierenden Körper
(5, 85, 95, 105, 115, 125),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Temperierelemente
(1, 1', 1'', 2, 2', 2'', 81, 91, 101, 111, 82, 92, 102, 112, 121, 122, 127) so angeordnet
und durch die erste Wärmebrücke (3,3',3'',83,93,103,113,123) verbunden sind, dass
sich im Betriebszustand eine Isotherme in Vorzugsrichtung entlang der ersten Wärmebrücke
(3,3',3'',83,93,103,113,123) als Kontakt-Isotherme (4) ausbildet,
der zu temperierende Körper (5,85,95,105,115,125) mit der ersten Wärmebrücke (3, 3',
3'', 83, 93, 103, 113, 123) entlang der Kontakt-Isotherme (4) wärmeleitend verbunden
ist, insbesondere kontinuierlich verbunden ist.
2. Temperieranordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zu temperierende Körper (5,85,95,105,115,125) mit den Temperierelementen (1, 1',
1'', 2, 2', 2'', 81, 91, 101, 111, 82, 92, 102, 112, 121, 122, 127) ausschließlich
entlang der Kontakt-Isotherme (4) der ersten Wärmebrücke (3, 3', 3'', 83, 93, 103,
113, 123) verbunden ist.
3. Temperieranordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Temperierelemente (1, 1', 1'', 2, 2', 2'', 81, 91, 101, 111, 82, 92, 102, 112,
121, 122, 127) so angeordnet sind, dass die in den Temperierelementen (1 ,1', 1'',
2, 2', 2'', 81, 91, 101, 111, 82, 92, 102, 112, 121, 122, 127) im Betriebszustand
entstehenden Temperaturgradienten antiparallel verlaufen.
4. Temperieranordnung nach einem der vorangehende Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der zu temperierende Körper (5,85,95,105,115,125) mit der ersten Wärmebrücke (3, 3',
3'', 83, 93, 103, 113, 123) über eine zweite Wärmebrücke (6',86,106,116,126) wärmeleitend
verbunden ist.
5. Temperieranordnung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
ersten Wärmebrücke (3, 3', 3'', 83, 93, 103, 113, 123) und/oder zweite Wärmebrücke
(6',86,106,116,126) streifenförmig ausgebildet sind.
6. Temperieranordnung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die zweite Wärmebrücke (6',86,106,116,126) entlang ihrer Längsachse mit der ersten
Wärmebrücke (3', 3'', 83, 103, 113, 123) verbunden ist, insbesondere entlang der Symmetrieachse
der ersten Wärmebrücke (3, 3' ,3'', 83, 93, 103, 113, 123).
7. Temperieranordnung nach einem der Ansprüche 4-6,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärmeleitfähigkeit der zweiten Wärmebrücke (6',86,106,116,126) in der Verbindungsachse
zwischen erster Wärmebrücke (3,3',3'',83,93,103,113,123) und zu temperierendem Körper
(5,85,95,105,115,125) gegenüber der Wärmeleitfähigkeit in hierzu orthogonaler Richtung
reduziert ist, insbesondere durch anisotrop wärmeleitende Werkstoffe und/oder durch
geometrische Ausgestaltung der zweiten Wärmebrücke, vorzugsweise durch Teilung der
zweiten Wärmebrücke in zwei Sektionen (6a'',6b'') mit in der Verbindungsachse zur
ersten Wärmebrücke (3") unterschiedlichen Querschnitten.
8. Temperieranordnung nach einem der Ansprüche 4-7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Quotient aus den Breiten der zweite Wärmebrücke (6',86,106,116,126) und der ersten
Wärmebrücke (3,3',3'',83,93,103,113,123), gemessen in der Verbindungsachse zwischen
erster Wärmebrücke (3,3',3'',83,93,103,113,123) und zu temperierendem Körper (5,85,95,105,115,125),
im wesentlichen dem Quotienten aus Temperaturdifferenz in der zweiten Wärmebrücke
(6',86,106,116,126) zur lokalen Temperaturdifferenz zwischen den Temperierelementen
(1, 1', 1'', 2, 2', 2'', 81, 91, 101, 111, 82, 92, 102, 112, 121, 122, 127) entspricht.
9. Temperieranordnung nach einem der vorangehende Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Temperierelemente (1, 1', 1'', 2, 2', 2'', 81, 91, 101, 111, 82, 92, 102, 112,
121, 122, 127) zum Wärmetransport nach wenigstens einem der folgenden Prinzipien ausgebildet
sind
- Transport eines Kühl- oder Heizmediums, insbesondere eines fliessfähiges Mediums,
- Transport durch elektrischen Strom,
- Phasenumwandlung,
- endo- oder exotherme chemische Reaktion.
10. Temperieranordnung nach einem der vorangehende Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Temperierelemente (1, 1', 1'', 2, 2', 2'', 81, 91, 101, 111, 82, 92, 102, 112,
121, 122, 127) so gesteuert oder geregelt werden, dass der über ihre Länge auftretende
Temperaturgradient den gleichen Betrag aufweist.
11. Temperieranordnung nach einem der vorangehende Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Temperierelemente (1, 1', 1'', 2, 2', 2'', 81, 91, 101, 111, 82, 92, 102, 112,
121, 122, 127) miteinander verbunden sind und einen gemeinsamen, aufeinanderfolgend
durch beide Temperierelemente (1, 1', 1'', 2, 2', 2'', 81, 91, 101, 111, 82, 92, 102,
112, 121, 122, 127) geführten Wärmestrom aufweisen.
12. Temperierverfahren zur Erzeugung eines gleichmäßigen Temperaturverlaufs auf einer
Oberfläche (5a,85a,95a,105a,115a) mit
- wenigstens zwei entlang einer Vorzugsrichtung ausgedehnten Temperierelementen (1,
1', 1'', 2, 2', 2'', 81, 91, 101, 111, 82, 92, 102, 112, 121, 122, 127),
- einer die Temperierelemente (1, 1', 1'', 2, 2', 2'', 81, 91, 101, 111, 82, 92, 102,
112, 121, 122, 127) entlang der Vorzugsrichtung verbindende erste Wärmebrücke,
- einem die Oberfläche (5a,85a,95a,105a,115a) aufweisenden und zu temperierenden Körper
(5,85,95,105,115,125), wobei der zu temperierende Körper (5,85,95,105,115,125) mit
der ersten Wärmebrücke (3, 3', 3'', 83, 93, 103, 113, 123) entlang einer Verbindungslinie
wärmeleitend verbunden ist und einem
- Erzeugen eines Wärmestromes in den Temperierelementen,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Erzeugen des Wärmestromes so erfolgt, dass sich entlang der Verbindungslinie eine
Isotherme als Kontakt-Isotherme (4) ausbildet.
13. Temperierverfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Erzeugen des Wärmestromes so erfolgt, dass die in den Temperierelementen (1, 1',
1'', 2, 2', 2'', 81, 91, 101, 111, 82, 92, 102, 112, 121, 122, 127) entstehenden Temperaturgradienten
antiparallel verlaufen.
14. Temperierverfahren nach Anspruch 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Erzeugen des Wärmestromes so erfolgt, dass der über die Länge der Temperierelemente
(1, 1', 1'', 2, 2', 2'', 81, 91, 101, 111, 82, 92, 102, 112, 121, 122, 127) auftretende
Temperaturgradient den gleichen Betrag aufweist.
15. Temperierverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Erzeugen des Wärmestromes so erfolgt, dass der Quotient aus den Breiten einer
zweiten Wärmebrücke (6',86,106,116,126) und der ersten Wärmebrücke (3, 3', 3'', 83,
93, 103, 113, 123), gemessen in der Verbindungsachse zwischen erster Wärmebrücke (3,
3', 3'', 83, 93, 103, 113, 123) und zu temperierendem Körper (5,85,95,105,115), im
wesentlichen dem Quotienten aus Temperaturdifferenz in der zweiten Wärmebrücke (6',86,106,116,126)
zur lokalen Temperaturdifferenz zwischen den Temperierelementen (1, 1', 1'', 2, 2',
2'', 81, 91, 101, 111, 82, 92, 102, 112, 121, 122, 127) entspricht, wobei der zu temperierende
Körper (5,85,95,105,115) mit der ersten Wärmebrücke (3, 3', 3'', 83, 93, 103, 113,
123) über die zweite Wärmebrücke (6', 86, 106, 116, 126) wärmeleitend verbunden ist.